鋅在制備骨或關(guān)節(jié)修復(fù)再生材料中的應(yīng)用制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體是鋅在制備骨或關(guān)節(jié)修復(fù)再生材料中的應(yīng)用,以正硅酸乙酯、硝酸鋅及硝酸鈣為原料制成鋅修飾硅酸鈣涂料，將所述鋅修飾硅酸鈣涂料涂覆在骨或關(guān)節(jié)修復(fù)再生材料的表面形成鋅修飾硅酸鈣涂層，并與BMSCs共培養(yǎng)。本發(fā)明專利技術(shù)的有益效果在于，在本實(shí)驗(yàn)中，BMSCs被用于在各組材料表面培養(yǎng)，通過(guò)粘附、增殖及分化實(shí)驗(yàn)研究Ca2ZnSi2O7陶瓷涂層對(duì)BMSCs的生物學(xué)影響，證實(shí)了鋅修飾硅酸鈣涂層的表面形貌、化學(xué)組分及其釋放的生物活性離子同時(shí)對(duì)BMSCs的生物活性產(chǎn)生了影響，鋅鈣摩爾比為0.3的鋅修飾硅酸鈣涂層擁有最優(yōu)的促BMSCs生物活性效果。

Application of zinc in preparation of bone or joint repair and regeneration material

The present invention relates to the technical field of chemistry, particularly in the preparation of zinc application of bone or joint repair and regeneration materials, using tetraethoxysilane, zinc nitrate and calcium nitrate as raw material made of zinc modified calcium silicate coatings, the zinc modified calcium silicate coating on the surface of bone or joint repair and regeneration of material forming zinc modified calcium silicate coating, and co cultured with BMSCs. The invention has the advantages that, in this experiment, BMSCs was used for training in each group of materials surface, influence the proliferation and differentiation through biological experiments of Ca2ZnSi2O7 ceramic coating on the adhesion, BMSCs, confirmed that the surface morphology, zinc modified calcium silicate coating chemical composition and biological activity of ion release of BMSCs biological the activity of the influence of molar ratio of zinc and calcium, promoting BMSCs biological activity of zinc modified calcium silicate coatings have the best 0.3.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及化學(xué)
，具體是鋅在制備骨或關(guān)節(jié)修復(fù)再生材料中的應(yīng)用。
技術(shù)介紹
眾所周知，細(xì)胞與基底之間的相互作用是影響細(xì)胞活性的關(guān)鍵因素，其中包括了細(xì)胞的粘附、增殖及分化。相關(guān)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，生物材料的表面形貌和化學(xué)組分可以對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生顯著的生物學(xué)影響。例如Zreiqat等已表明，使用二價(jià)微量元素如鎂(Mg)和鋅(Zn)進(jìn)行表面化學(xué)修飾的鈦合金(Ti-6Al-4V)可以調(diào)節(jié)骨細(xì)胞的活性。近年來(lái)，羥基磷灰石(HA)通過(guò)等離子噴涂于植入體表面形成涂層已廣泛應(yīng)用于臨床，其能誘導(dǎo)周圍骨組織生長(zhǎng)的能力毋庸置疑，但該涂層與鈦基的結(jié)合強(qiáng)度欠佳以及降解性較高限制了它在臨床的遠(yuǎn)期療效。CaSiO3陶瓷是典型的鈣硅基生物陶瓷材料，目前研究已證實(shí)其在SBF中能形成磷酸鈣層和富硅層，產(chǎn)生類HA，具有骨傳導(dǎo)和骨誘導(dǎo)的生物活性。由于其相對(duì)于HA擁有更加良好的生物活性和可降解性，以及其涂層與鈦基底更高的結(jié)合強(qiáng)度，一度被研究作為可應(yīng)用于骨再生和植入體涂層的有前景的陶瓷材料。然而，CaSiO3機(jī)械強(qiáng)度低、化學(xué)穩(wěn)定性較弱，因其較高的溶解率，會(huì)伴隨浸泡過(guò)程降解，與基體間的結(jié)合強(qiáng)度降低，如在與鈦基的結(jié)合強(qiáng)度會(huì)因浸泡液的腐蝕而顯著降低等缺點(diǎn)，限制了它在臨床的應(yīng)用前景，在進(jìn)一步研究中受到了重大限制。于是，我們引入陽(yáng)離子修飾的理念，將Zn離子通過(guò)溶膠凝膠法摻雜到CaSiO3中獲得了一種以Ca2ZnSi2O7成份為主的新型材料(其中含少量Ca2SiO4和CaSiO3)，并將該粉末高溫融化后運(yùn)用等離子噴涂的方法，在鈦合金材料表面形成Ca2ZnSi2O7陶瓷涂層。CaSiO3陶瓷中鋅的摻入形成了Ca2ZnSi2O7陶瓷，也就是鋅黃長(zhǎng)石，研究發(fā)現(xiàn)鋅的摻入提高了CaSiO3陶瓷的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能。我們選擇Zn離子作為摻入的元素，不僅因?yàn)樗哂刑岣逤aSiO3陶瓷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的積極作用，而且同時(shí)也因?yàn)樗窃谌梭w中最重要的微量元素之一，并已被證明其通過(guò)對(duì)成骨細(xì)胞的刺激在骨骼發(fā)育、維護(hù)和修復(fù)中發(fā)揮著重要作用。通過(guò)XRD分別對(duì)制備好的原材料粉末及涂層后材料進(jìn)行物相分析，證明等離子噴涂前后Ca2ZnSi2O7陶瓷涂層的組成成分無(wú)明顯改變。使用MC3T3-E1細(xì)胞，通過(guò)細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)、粘附及增殖實(shí)驗(yàn)、成骨分化實(shí)驗(yàn)及抗菌實(shí)驗(yàn)等，證明了該涂層材料具有良好的細(xì)胞相容性、促成骨細(xì)胞粘附、增殖、分化的作用，及優(yōu)秀的抗菌性能。在前期工作中我們用于實(shí)驗(yàn)的Ca2ZnSi2O7陶瓷涂層鋅鈣摩爾比為0.5，雖然實(shí)驗(yàn)已證實(shí)它對(duì)于MC3T3-E1細(xì)胞具有優(yōu)秀的促粘附、增殖、成骨分化、礦化等一系列生物學(xué)活性具有明顯的促進(jìn)作用，但是該鋅鈣摩爾比是否為最優(yōu)，以及該材料對(duì)于更具應(yīng)用前景和實(shí)際意義的BMSCs是否具有同樣優(yōu)秀的效果仍然存在疑問(wèn)。由于Zn離子對(duì)成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)有濃度依賴性(濃度過(guò)高對(duì)細(xì)胞有一定的毒性，過(guò)低則無(wú)顯著效果)，且不同Zn離子濃度修飾的CaSiO3陶瓷涂層與鈦基體材料的結(jié)合強(qiáng)度不同、化學(xué)穩(wěn)定性也不同。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出構(gòu)建并優(yōu)化鋅修飾硅酸鈣陶瓷涂層，研究鋅鈣摩爾比分別為0.1、0.3、0.5的鋅修飾硅酸鈣陶瓷涂層材料的表面形貌，對(duì)作為成骨細(xì)胞前體來(lái)源的BMSCs的生物學(xué)影響，探索理想出的鋅鈣摩爾比，系統(tǒng)研究Ca2ZnSi2O7陶瓷涂層及其促粘附、增殖及促成骨分化的作用。為了達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)提出了一種鋅在制備骨或關(guān)節(jié)修復(fù)再生材料中的應(yīng)用，以正硅酸乙酯、硝酸鋅及硝酸鈣為原料制成鋅修飾硅酸鈣涂料，將所述鋅修飾硅酸鈣涂料涂覆在骨或關(guān)節(jié)修復(fù)再生材料的表面形成鋅修飾硅酸鈣涂層，并與所述骨或關(guān)節(jié)修復(fù)再生材料中的BMSCs共培養(yǎng)。所述的骨或關(guān)節(jié)修復(fù)再生材料可以是人工骨、關(guān)節(jié)、融合器、螺釘?shù)戎踩氩牧希鲣\修飾硅酸鈣涂料與所述骨或關(guān)節(jié)修復(fù)再生材料中的BMSCs共培養(yǎng)并植入到動(dòng)物體內(nèi)。優(yōu)選地，所述的鋅修飾硅酸鈣中鋅鈣摩爾比為0.3。優(yōu)選地，所述的BMSCs取第4代處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的BMSCs。優(yōu)選地，所述的鋅修飾硅酸鈣涂料中正硅酸乙酯、硝酸鋅及硝酸鈣的摩爾比為1:0.1:1、1:0.3:1或1:0.5:1。在本專利技術(shù)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述的形成鋅修飾硅酸鈣涂層的方法為：以正硅酸乙酯、硝酸鋅及硝酸鈣為原料制成鋅修飾硅酸鈣陶瓷粉體，以等離子火焰球化，將鈦合金金屬片作為基底材料，使用等離子噴涂方式將所述鋅修飾硅酸鈣陶瓷粉體噴涂在鈦合金金屬片上。本專利技術(shù)的有益效果在于：骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)是一種極具吸引力的組織工程細(xì)胞來(lái)源，因?yàn)樗鼈內(nèi)菀撰@得，可高度增殖，并且可以多能分化成不同譜系，如成骨細(xì)胞、牙周膜細(xì)胞、和神經(jīng)細(xì)胞等。然而，BMSCs在不同鋅鈣摩爾比的Ca2ZnSi2O7陶瓷涂層表面粘附、增殖及分化的情況尚不清除。在本實(shí)驗(yàn)中，BMSCs被用于在各組材料表面培養(yǎng)，通過(guò)粘附、增殖及分化實(shí)驗(yàn)研究Ca2ZnSi2O7陶瓷涂層對(duì)BMSCs的生物學(xué)影響。Ca2ZnSi2O7涂層在促BMSCs粘附、增殖及成骨分化方面顯著優(yōu)于CaSiO3涂層，除了同樣擁有粗糙的表面形貌，可以釋放Si、Ca離子之外，主要的區(qū)別在于其還可以持續(xù)釋放Zn離子。不同鋅鈣摩爾比的Ca2ZnSi2O7涂層對(duì)BMSCs的影響效果不盡相同，是由于摻雜的Zn離子濃度不同，導(dǎo)致釋放出的Zn離子濃度各異，甚至?xí)绊慍a、Si離子的釋放濃度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，鋅鈣摩爾比為0.3的Ca2ZnSi2O7涂層擁有最優(yōu)的促BMSCs生物活性效果，是因?yàn)槠溽尫诺腪n、Ca以及Si濃度最適合BMSCs的生長(zhǎng)。然而，雖然我們知道材料涂層的表面形貌、化學(xué)組分及其釋放的生物活性離子同時(shí)對(duì)BMSCs的生物活性產(chǎn)生了影響，但是我們并不清楚對(duì)于Ca2ZnSi2O7陶瓷涂層來(lái)說(shuō)，在其顯著促進(jìn)BMSCs的粘附、增殖及成骨分化等生物學(xué)活性表達(dá)的諸多因素中，是表面形貌、化學(xué)組分，還是其釋放的生物活性離子起了最為關(guān)鍵的作用。因此，在下一部分的實(shí)驗(yàn)中，我們將剔除各組材料表面形貌和化學(xué)組分對(duì)BMSCs的直接接觸的影響，使用各組涂層材料的浸提液用于培養(yǎng)BMSCs，檢測(cè)浸提液對(duì)于BMSCs的生物學(xué)影響，以證實(shí)Ca2ZnSi2O7陶瓷涂層作用于BMSCs的主要因素，為下一步對(duì)該涂層材料影響B(tài)MSCs的作用機(jī)制奠定基礎(chǔ)。附圖說(shuō)明圖1為Ca2ZnSi2O7陶瓷分體及涂層大體觀，其中A：Ca2ZnSi2O7陶瓷粉體，B：Ca2ZnSi2O7陶瓷涂層；圖2為三組Ca2ZnSi2O7涂層的表面形貌(SEM)，其中A、B、C分別代表鋅鈣摩爾比為0.1、0.3、0.5的Ca2ZnSi2O7陶瓷涂層，1、2、3、4分別代表放大50倍、500倍、3000倍及30000倍；圖3為三組Ca2ZnSi2O7陶瓷涂層及CaSiO3陶瓷涂層的結(jié)合強(qiáng)度注：Zn-Ca1、Zn-Ca2、Zn-Ca3分別代表鋅鈣摩爾比0.1，0.3、0.5的Ca2ZnSi2O7陶瓷涂層，*表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；圖4為各組材料對(duì)BMSCs粘附功能的影響，*表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；圖5為各組材料對(duì)BMSCs增殖活性的影響，*表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；圖6為BMSCs在各組材料表面培養(yǎng)不同時(shí)間點(diǎn)下ALP的生成情況，*表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
鋅在制備骨或關(guān)節(jié)修復(fù)再生材料中的應(yīng)用，其特征在于，以正硅酸乙酯、硝酸鋅及硝酸鈣為原料制成鋅修飾硅酸鈣涂料，將所述鋅修飾硅酸鈣涂料涂覆在骨或關(guān)節(jié)修復(fù)再生材料的表面形成鋅修飾硅酸鈣涂層，并與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞BMSCs共培養(yǎng)。

【技術(shù)特征摘要】
1.鋅在制備骨或關(guān)節(jié)修復(fù)再生材料中的應(yīng)用，其特征在于，以正硅酸乙酯、硝酸鋅及硝酸鈣為原料制成鋅修飾硅酸鈣涂料，將所述鋅修飾硅酸鈣涂料涂覆在骨或關(guān)節(jié)修復(fù)再生材料的表面形成鋅修飾硅酸鈣涂層，并與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞BMSCs共培養(yǎng)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋅在制備骨或關(guān)節(jié)修復(fù)再生材料中的應(yīng)用，其特征在于，所述的鋅修飾硅酸鈣中鋅鈣摩爾比為0.3。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋅在制備骨或關(guān)節(jié)修復(fù)再生材料中的應(yīng)用，其特征在于，所述的BMSCs取第4代處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的BMSCs。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋅在制備骨或關(guān)節(jié)修復(fù)再生材料中的應(yīng)用，其特征在于，所述的鋅修飾硅酸鈣涂料中正硅酸乙酯、硝酸鋅及硝酸鈣的摩爾比為1:0.1:1、1:0.3:...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：余將明，葉嘵健，徐立璋，李愷，謝寧，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)人民解放軍第二軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：上海;31